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Expression de $u_n$ par intégration par parties
Soit $n \ge 2$. On peut réécrire l'intégrale ainsi : $u_n = n \int_1^\pi x^{-n} \sin x \,dx$.
En utilisant la notation compacte pour l'intégration par parties : \begin{align*} u_n &= n \int_1^\pi \left( \frac{-1}{n-1} x^{-n+1} \right)' \sin x \,dx \\ &= n \left( \left[ \frac{-1}{n-1} x^{-n+1} \sin x \right]_1^\pi - \int_1^\pi \frac{-1}{n-1} x^{-n+1} \cos x \,dx \right) \\ &= n \left( \left( 0 - \frac{-\sin 1}{n-1} \right) + \frac{1}{n-1} \int_1^\pi x^{-n+1} \cos x \,dx \right) \\ &= n \left( \frac{\sin 1}{n-1} + \frac{1}{n-1} \int_1^\pi \frac{\cos x}{x^{n-1}} \,dx \right) \\ &= \frac{n}{n-1} \left( \sin 1 + \int_1^\pi \frac{\cos x}{x^{n-1}} \,dx \right) \end{align*} -
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Majoration de la valeur absolue de l'intégrale
Pour tout $x \in [1, \pi]$, on a la majoration classique : $|\cos x| \le 1$.
Puisque $x^{n-1} > 0$ sur l'intervalle $[1, \pi]$, on obtient en divisant : \[ \left| \frac{\cos x}{x^{n-1}} \right| = \frac{|\cos x|}{x^{n-1}} \le \frac{1}{x^{n-1}} \] En intégrant cette inégalité sur $[1, \pi]$ (les bornes étant dans l'ordre croissant) : \[ \left| \int_1^\pi \frac{\cos x}{x^{n-1}} \,dx \right| \le \int_1^\pi \left| \frac{\cos x}{x^{n-1}} \right| \,dx \le \int_1^\pi \frac{dx}{x^{n-1}} \] -
Calcul de la limite de l'intégrale
Pour tout entier $n \ge 3$, calculons l'intégrale majorante : \[ \int_1^\pi \frac{dx}{x^{n-1}} = \int_1^\pi x^{-n+1} \,dx = \left[ \frac{x^{-n+2}}{-n+2} \right]_1^\pi = \frac{\pi^{-n+2} - 1}{-n+2} = \frac{1 - \pi^{2-n}}{n-2} \] Puisque $\pi > 1$, on a $\lim_{n \to +\infty} \pi^{2-n} = 0$. On en déduit : \[ \lim_{n \to +\infty} \frac{1 - \pi^{2-n}}{n-2} = 0 \] D'aprÚs le théorÚme des gendarmes et la majoration de la question précédente, on conclut : \[ \lim_{n \to +\infty} \left( \int_1^\pi \frac{\cos x}{x^{n-1}} \,dx \right) = 0 \] -
Calcul de la limite de la suite $(u_n)$
D'aprÚs la premiÚre question, l'expression de la suite est : \[ u_n = \frac{n}{n-1} \left( \sin 1 + \int_1^\pi \frac{\cos x}{x^{n-1}} \,dx \right) \] On évalue les limites des deux facteurs :- $\lim_{n \to +\infty} \frac{n}{n-1} == 1$
- D'aprÚs la question précédente, $\lim_{n \to +\infty} \left( \sin 1 + \int_1^\pi \frac{\cos x}{x^{n-1}} \,dx \right) = \sin 1 + 0 = \sin 1$
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